[发明专利]三级式无刷起动/发电机三相交流励磁系统的拓扑结构及装置

说明书

技术领域

本发明属于航空交流电机技术领域，具体涉及一种三级式无刷起动/发电机三相交流励磁系统的拓扑结构及装置。

背景技术

随着大飞机技术的迅猛发展，具有起动/发电一体化功能的高压宽变频发电系统是未来航空交流电源系统的一个重要发展方向。目前我国飞机交流电源系统大都采用三级式无刷同步电机(原理框图见图1)作为发电机，该类发电机无起动航空发动机的功能，发动机由独立的起动机进行起动。这样的发动机-电源系统包含两套电机，使得其体积和重量较大，且系统复杂，可靠性降低。若能在原有三级式无刷同步发电机的基础上，通过控制使其运行在电动状态来完成发动机的起动，即实现起动/发电一体化，就可以省去专门的起动机，减轻机载重量和系统体积。

传统的三级式无刷同步发电机主要由主发电机、励磁机、副励磁机(永磁发电机)、旋转整流器构成。主发电机在发电阶段，副励磁机发出的三相交流电经过三相不控整流电路整流为直流电后为励磁机定子绕组提供励磁，励磁机转子绕组感应出来三相交流电经同轴相连的旋转整流器整流后为主发电机转子励磁绕组提供励磁，主发电机定子绕组切割同步磁场发出三相交流电。该电机主要为满足发电功能设计，在电动状态时存在如下问题：1)静止和低速状态时，励磁机输出电压较低、主发电机励磁电流较小，严重影响主发电机的带载起动能力；2)随着电机转速的升高，励磁机输出电压逐渐增大，主发电机励磁电流也逐渐增大，即主发电机励磁电流在电机起动过程中一直处于变化之中。

针对上述励磁机问题，目前国内外主要的解决方案有：1、主发电机电机静止及低速运行阶段，励磁机定子绕组采用单相交流励磁，电机在高速运行或发电阶段，励磁机定子绕组采用直流励磁；2、主发电机电机静止及低速运行阶段，励磁机定子绕组采用三相交流励磁，电机在高速运行或发电阶段，励磁机定子绕组采用直流励磁；3、主发电机在起动与发电阶段，励磁机定子绕组始终采用三相交流励磁。方案1能够在主发电机静止与低速阶段提供较大的励磁电流，但随着航空电源技术的发展以及发动机需要更高的起动转矩，单相交流励磁方式已经无法满足主发电机起动阶段对励磁电流的需求。方案2中励磁机的励磁方式需要根据主发电机的不同运行模式进行切换，鉴于主发电机的发电运行是长时间工作方式，励磁机定子绕组需要通过提高每极串联匝数来降低励磁机定子所需的直流励磁电流，但是过高的匝数造成主发电机起动阶段励磁机具有高阻抗特性使得励磁机定子绕组需要较高的输入容量，且该方案对励磁机的本体以及励磁系统设计要求较高。方案3中三相交流励磁机在主发电机的起动以及发电运行全过程均采用三相交流励磁，且无高阻抗特性，但是随着主发电机的运行方式改变，励磁系统中的励磁电源由直流母线变为了副励磁机，励磁系统需要从直流—交流功率变换状态切换到交流—直流—交流功率变换状态，因此方案3要有新的励磁系统及控制方法。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种三级式无刷起动/发电机三相交流励磁系统的拓扑结构及装置，在三级式无刷起动/发电机的起动与发电阶段，给三相交流励磁机提供三相交流励磁，励磁系统需要有直流—交流以及交流—直流—交流功率变换的功能。

技术方案

一种三级式无刷起动/发电机三相交流励磁系统的拓扑结构，其特征在于：励磁系统在起动阶段能量流动为：直流母线连接三相双向逆变器，三相双向逆变器连接励磁机，且三相双向逆变器为逆变状态；励磁系统在发电阶段能量流动为：永磁发电机连接三相双向逆变器，三相双向逆变器连接三相逆变器，三相逆变器连接励磁机，且三相双向逆变器为整流状态。